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[[Datei:The Z Machine (8056998596).jpg|mini|Z-Maschine (2012). [[Teilentladung#Gleitentladungen|Gleitentladung]]en auf der Wasseroberfläche.]]
[[Datei:Z machine cross section.jpg|mini|Aufbau der Z-Maschine (2020)]]
[[Datei:Z machine diagram.jpg|mini|Gebäudekomplex der Z-Maschine (2020)]]

Die '''Z-Maschine''' oder offiziell die '''Z Pulsed Power Facility''' (umgangssprachlich kurz "'''Z'''") ist eine [[Experimentalphysik|experimental]]-physikalische Versuchsanlage in [[Albuquerque]], [[New Mexico]], USA, um [[Materialwissenschaft und Werkstofftechnik|Materialversuche]] unter sehr hohen Temperaturen <math>\gg</math> 1 Mio. [[Grad Celsius]]<ref>{{Internetquelle |url=https://www.sandia.gov/media/z290.htm |titel=Sandia Z accelerator |hrsg=SNL |datum=1998 |sprache=en |abruf=2025-07-19}}</ref> und extremen Druckverhältnissen <math>\gg</math> 10 Mbar durchzuführen.<ref>{{Literatur |Autor=Hye-Sook Park et al. |Titel=Techniques for studying materials under extreme states of high energy density compression |Sammelwerk=Physics of Plasmas |Band=28 |Nummer=6 |Datum=2021-06-01 |Sprache=en |ISSN=1070-664X |DOI=10.1063/5.0046199 |Online=https://pubs.aip.org/pop/article/28/6/060901/972921/Techniques-for-studying-materials-under-extreme |Abruf=2025-07-19}}</ref> Man ordnet die Physik von derartigen Anlagen der [[Hochenergiedichtephysik]] zu.

Der Betreiber von Z sind die [[Sandia National Laboratories]] (SNL). Die Anlage hat einen [[Dual-Use|Doppelnutzen]], d. h. wird für zivile als auch militärische Zwecke genutzt. Sandia ist das ''nichtnukleare'' Labor des [[National Nuclear Security Administration|US-amerikanischen Kernwaffenkomplex]] und betreibt eine einzigartige Infrastruktur zur Forschung und Entwicklung. Sandia war ursprünglich die "Z-Division" in dem [[Manhattan-Projekt|Manhattan Engineer District]] (MED).

Der Name ist abgeleitet von
* der vertikalen Austrittsrichtung der Röntgenstrahlen (siehe auch [[Z-Achse]]) und
* den vertikal verlaufenden Drähten (siehe ''Aufbau'').

Die Z-Maschine ist ein Beispiel für eine Pinch-Anordnung und beruht auf dem [[Pinch-Effekt (Elektrodynamik)|Pincheffekt]], d. h. eine Kompression oder Einschnürung (siehe ''Literatur'').

== Geschichte ==
Z ist eine ''Gepulste Energieanlage'' oder ''Pulsenergieanlage.'' Die Anfänge dieser Experimentalanlagen geht bis in die 1950er Jahre und dortigen Forschungsaktivitäten zurück. Erste theoretische Überlegungen zu magnetischen Einschlüssen stammen aus den 1930er Jahren.<ref>{{Literatur |Autor=[[Willard Harrison Bennett|Willard H. Bennett]] |Titel=Magnetically Self-Focussing Streams |Sammelwerk=Physical Review |Band=45 |Nummer=12 |Datum=1934-06-15 |Sprache=en |ISSN=0031-899X |DOI=10.1103/PhysRev.45.890 |Seiten=890–897 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRev.45.890 |Abruf=2025-07-19}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=L. Tonks |Titel=Theory of Magnetic Effects in the Plasma of an Arc |Sammelwerk=Physical Review |Band=56 |Nummer=4 |Datum=1939-08-15 |Sprache=en |ISSN=0031-899X |DOI=10.1103/PhysRev.56.360 |Seiten=360–373 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRev.56.360 |Abruf=2025-07-19}}</ref>

Frühere Maschinen oder experimentelle Aufbauten waren Columbus-II, Columbus S-2, oder das Perhapsatron S-5 am [[Los Alamos National Laboratory]] (LANL).<ref name=":0">{{Literatur |Autor=D. B. Sinars et al. |Titel=Review of pulsed power-driven high energy density physics research on Z at Sandia |Sammelwerk=Physics of Plasmas |Band=27 |Nummer=7 |Datum=2020-07-01 |Sprache=en |Umfang=en |ISSN=1070-664X |DOI=10.1063/5.0007476 |Online=https://pubs.aip.org/pop/article/27/7/070501/263398/Review-of-pulsed-power-driven-high-energy-density |Abruf=2025-07-19}}</ref> Es gab auch Experimente zur "Einschnürung" in Großbritannien ([[Atomic Energy Research Establishment|Harwell]]) oder anderen Ländern, z. B. Russland, China<ref>{{Literatur |Autor=Jianjun Deng et al. |Titel=Overview of pulsed power researches at CAEP |Verlag=IEEE |Datum=2014-05 |Sprache=en |ISBN=978-1-4799-2711-1 |DOI=10.1109/PLASMA.2014.7012736 |Seiten=1–6 |Online=https://ieeexplore.ieee.org/document/7012736/ |Abruf=2025-07-19}}</ref> oder Frankreich<ref>{{Literatur |Autor=H. Calamy |Titel=Wire Array Z-pinches on Sphinx Machine: Experimental Results and Relevant Points of Microsecond Implosion Physics |Band=808 |Verlag=AIP |Datum=2006 |Sprache=en |DOI=10.1063/1.2159310 |Seiten=15–20 |Online=https://pubs.aip.org/aip/acp/article/808/1/15-20/1005337 |Abruf=2025-07-19}}</ref>.

Die Anlage Z ging etwa 1996 in Betrieb.<ref>{{Internetquelle |autor=Neal Singer |url=https://newsreleases.sandia.gov/z_25/ |titel=Look who’s turning 25 |hrsg=SNL |datum=2021 |sprache=en-US |abruf=2025-07-19}}</ref> Z ist eine von vielen Pulsenergieanlagen am SNL.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.sandia.gov/pulsed-power/research-facilities/ |titel=Key Research Facilities |hrsg=Sandia |sprache=en-US |abruf=2025-07-19}}</ref>

== Forschungsaktivitäten ==
[[Datei:EMP simplator Krtland AFB New Mexico.jpg|mini|Simulator an der [[Kirtland Air Force Base|Kirtland AFB]] für einen elektromagnetischen Puls (EMP) mit einer [[B-52 Stratofortress|B-52]] ca. 1980]]
Mit der Z-Maschine werden verschiedene Teilbereiche der Physik erforscht. Es wird beispielsweise an Themen der Astrophysik<ref>{{Literatur |Autor=Bruce A. Remington, R. Paul Drake, Dmitri D. Ryutov |Titel=Experimental astrophysics with high power lasers and Z pinches |Sammelwerk=Reviews of Modern Physics |Band=78 |Nummer=3 |Datum=2006-08-08 |Sprache=en |ISSN=0034-6861 |DOI=10.1103/RevModPhys.78.755 |Seiten=755–807 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/RevModPhys.78.755 |Abruf=2025-07-19}}</ref>, [[Plasma (Physik)|Plasmaphysik]], [[Zustandsgleichung|Zustandsgleichungen]], oder [[Kernfusion]] geforscht.<ref>{{Literatur |Autor=Wayt Gibbs |Titel=With a touch of thermonuclear bomb fuel, 'Z machine' could provide fusion energy of the future |Sammelwerk=Science |Datum=2016-11-09 |Sprache=en |ISSN=0036-8075 |DOI=10.1126/science.aal0356 |Online=http://www.sciencemag.org/news/2016/11/touch-thermonuclear-bomb-fuel-z-machine-could-provide-fusion-energy-future |Abruf=2025-07-19}}</ref>

Z kann als Energiequelle für [[Trägheitsfusion]] genutzt werden.<ref>{{Literatur |Autor=Jeremy P Chittenden |Titel=The Z-pinch: approach to fusion |Sammelwerk=Physics World |Band=13 |Nummer=5 |Datum=2000-05 |Sprache=en |ISSN=0953-8585 |DOI=10.1088/2058-7058/13/5/31 |Seiten=39–44 |Online=https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2058-7058/13/5/31 |Abruf=2025-07-19}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=M. Keith Matzen et al. |Titel=Pulsed-power-driven high energy density physics and inertial confinement fusion research |Sammelwerk=Physics of Plasmas |Band=12 |Nummer=5 |Datum=2005-05-01 |Sprache=en |ISSN=1070-664X |DOI=10.1063/1.1891746 |Online=https://pubs.aip.org/pop/article/12/5/055503/1015377/Pulsed-power-driven-high-energy-density-physics |Abruf=2025-07-19}}</ref> Die Anlage ist eine der leistungsstärksten, künstliche [[Röntgenstrahlung|Röntgenquellen]]<ref>{{Literatur |Autor=J. E. Bailey et al. |Titel=Radiation science using Z-pinch x rays |Sammelwerk=Physics of Plasmas |Band=9 |Nummer=5 |Datum=2002-05-01 |Sprache=en |ISSN=1070-664X |DOI=10.1063/1.1459454 |Seiten=2186–2194 |Online=https://pubs.aip.org/pop/article/9/5/2186/1070433/Radiation-science-using-Z-pinch-x-rays |Abruf=2025-07-19}}</ref>; diese Eigenschaft wird ebenfalls für Versuche genutzt.

Z dient ursprünglich zu Testzwecken für die nationale Sicherheit der USA. Genauer können mit Z elektronische Komponenten von Kernwaffen o. a. Geräten getestet werden, um sicherzustellen, dass diese nicht durch benachbarte Kernexplosionen gestört werden (vgl. [[Elektromagnetischer Impuls]] und andere Störeffekte).<ref name=":0" />

Einer der leitenden Wissenschaftler ist [[Thomas W. L. Sanford]].

== Aufbau ==
[[Datei:U.S. Department of Energy - Science - 119 003 007 (10190811835).jpg|mini|Drähte mit einem Durchmesser von 1/10 eines menschlichen Haares werden von einem Techniker der Z-Anlage für ein Experiment aufgebaut. (2013)]]
Die Z-Maschine ist ein rundes Gefäß mit einem Durchmesser von 33 m und einer Höhe von 6 m mit 36 [[Marx-Generator|Marxgeneratoren]] und radial angeordneten [[Impulsgenerator (Energietechnik)#Aufbau|Pulsformungsnetzwerk]] (PFN). In der Mitte des Gefäßes, das zur Isolierung mit [[Demineralisiertes Wasser|deionisiertem]] Wasser gefüllt ist, befindet sich eine [[Vakuum]]kammer mit 3 m Durchmesser. In dieser befindet sich die sogenannte ''Z-Pinch'', eine zylindrische Anordnung aus 300 in Z-Richtung verlaufenden, parallelen [[Wolfram]]drähten in der Form eines Zylinders mit einer Höhe von ca. 20 cm. Die Wolframdrähte haben einen Durchmesser von 10 µm, etwa 1/7 der Dicke eines menschlichen Haares. Im Zentrum dieses Drahtzylinders sind verschiedene Experimente platziert, zum Beispiel eine Fusionskapsel, ein dünner Metallzylinder mit einem Gemisch aus [[Deuterium]] und [[Tritium]]. Damit die [[Atomkern]]e fusionieren können, muss die Kapsel auf einen Bruchteil ihrer ursprünglichen Größe komprimiert und außerordentlich hoch erhitzt werden. Durch [[Bremsstrahlung]] entsteht bei der Draht-Implosion sehr intensive Röntgenstrahlung.

Während einer Zeit von weniger als 100 Nanosekunden fließt ein elektrischer Strom von 26 MA (Millionen Ampere) gleichzeitig durch die feinen Wolframdrähte im Zentrum. Sie verdampfen dadurch schlagartig und verwandeln sich in ein heißes Plasma. Der Stromfluss erzeugt sodann ein starkes [[Magnetismus|Magnetfeld]] in dem (elektrisch leitenden) Plasma, welches radial zur senkrechten Achse stark komprimiert und erhitzt wird (sogenannter ''Pinch-Effekt''). Dadurch wiederum erhitzt das Plasma das Wandmaterial des Proben-Zylinders in dessen Innerem auf eine Temperatur von bis zu einigen Milliarden Kelvin. Der Zylinder sendet einen intensiven Röntgenpuls aus mit einer Spitzenleistung von 290 [[Watt (Einheit)|TW]]. Die Fusionskapsel wird auf einen Bruchteil ihrer ursprünglichen Größe zusammengepresst und dabei stark aufgeheizt. Für wenige Nanosekunden tritt hier die ca. 80fache Leistung aller Kraftwerke der Erde auf.

Die elektrische Energie von Z wird durch [[Marx-Generator|Marx-Generatoren]] bereitgestellt. Es ist ca. 1 Schuss pro Tag möglich. Zur Diagnose und für weitere Versuche können Laserstrahlen verschiedener Laser zum Target geführt werden.

== Betrieb ==
2003 gelang es den Wissenschaftlern, durch den Röntgenpuls von 120 TW die Fusionskapsel auf ein Sechstel ihres ursprünglichen Durchmessers zu komprimieren. Die Dichte der Deuteriumkerne stieg dabei auf das Zweihundertfache. Unter diesen Bedingungen werden zwei Kerne der schweren und überschweren [[Isotop|Wasserstoffisotope]] Deuterium und Tritium so dicht zusammengebracht, dass sie zu einem [[Helium]]kern verschmelzen. Die Forscher schätzen, dass ihre Fusion eine Energie von etwa 4 [[Joule|mJ]] freisetzte.

2006 wurde bekanntgegeben, dass ein Plasma mit einer Temperatur von über 2 Milliarden Kelvin erzeugt werden konnte, eine Temperatur, die höher ist als die im Inneren von [[Stern]]en (im Kern der [[Sonne]] werden beispielsweise lediglich ca. 15 Millionen Kelvin erreicht). Zudem war die Energie der abgegebenen Röntgenstrahlung viermal so groß, wie es bei der zugeführten Menge kinetischer Energie zu erwarten gewesen wäre. Diese Ergebnisse konnten bisher zwar über einen Zeitraum von 14 Monaten mehrfach experimentell bestätigt, jedoch noch nicht vollständig erklärt werden.<ref>{{Internetquelle |url=https://share.sandia.gov/news/resources/releases/2006/physics-astron/hottest-z-output.html |titel=Sandia’s Z machine exceeds two billion degrees Kelvin |abruf=2010-05-07 |sprache=englisch |archiv-url=https://web.archive.org/web/20151105101307/https://share.sandia.gov/news/resources/releases/2006/physics-astron/hottest-z-output.html |archiv-datum=2015-11-05 |offline=ja }}</ref>

Von 2007 bis 2009 wurde die Z-Maschine zur „ZR-Maschine“ überarbeitet. Die neu installierte Hardware, v. a. stärkere Marxgeneratoren, erlaubt Ströme von bis zu 26 MA, statt zuvor 18 MA, und Anstiegszeiten innerhalb von 95 [[Sekunde|ns]]. Die Strahlungsleistung wurde auf 350 TW erhöht und Energieabgabe in Form von Röntgenstrahlung auf 2,7 MJ.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.nextbigfuture.com/2023/11/sandia-z-machine-like-pulse-nuclear-fusion-startup-has-25-of-a-terawattt-driver.html |titel=Sandia Z Machine-Like Pulse Nuclear Fusion Startup Has 25% of a Terawatt Driver |werk=NextBigFuture.com |datum=2023-11-03 |sprache=en-US |abruf=2025-06-20}}</ref>

Unter den im Jahre 2018 durchgeführten 152 Entladungen waren 32 Strahlungsexperimente, 54 Materialuntersuchungen und 49 Fusionsexperimente.<ref name="Z">[https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0007476 D. B. Sinars et al.: ''Review of pulsed power-driven high energy density physics research on Z at Sandia''], in ''Physics of Plasmas'' 27, 070501 (2020); [[doi:10.1063/5.0007476]], abgerufen am 8. Feb. 2023</ref>

== Literatur ==
{{Siehe auch|Hochenergiedichtephysik}}

* {{Literatur |Autor=[[Samuel Glasstone]], Ralph H. Lovberg |Titel=Controlled Thermonuclear Reactions |Verlag=Robert E. Krieger Publishing Company |Ort=New York |Datum=1975 |Sprache=en |Online=https://archive.org/details/controlledthermo00glas |Originaltitel=Id. |Originaljahr=1960}} ''— Chapter 7: The Pinch Effect''
* {{Literatur |Autor=D. D. Ryutov, M. S. Derzon, M. K. Matzen |Titel=The physics of fast Z pinches |Sammelwerk=Reviews of Modern Physics |Band=72 |Nummer=1 |Datum=2000-01-01 |Sprache=en |DOI=10.1103/RevModPhys.72.167 |Seiten=167–223}}
* {{Literatur |Autor=James R. Asay, Marcus D. Knudson |Titel=Use of Pulsed Magnetic Fields for Quasi-Isentropic Compression Experiments |Hrsg=Lalit C. Chhabildas, Lee Davison, Yasuyuki Horie |Sammelwerk=High-Pressure Shock Compression of Solids VIII |Verlag=Springer-Verlag |Ort=Berlin/Heidelberg |Datum=2005 |Sprache=en |Reihe=High-Pressure Shock Compression of Condensed Matter |ISBN=978-3-540-22866-0 |DOI=10.1007/3-540-27168-6_10 |Seiten=329–380}}
* {{Literatur |Autor=Andrew Porwitzky |Titel=Z for Beginners |Sprache=en |Online=https://www.sandia.gov/app/uploads/sites/129/2022/08/2020-ZFS-Workshop-Z-for-Beginners.pdf}}

== Weblinks ==
* {{Internetquelle |url=https://www.sandia.gov/z-machine/ |titel=Z Pulsed Power Facility (Offizielle Website) |hrsg=SNL |sprache=en |abruf=2025-07-19}}

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Coordinate|NS=35.03374|EW=-106.54252|region=US-NM|type=landmark}}

[[Kategorie:Plasmaphysik]]
[[Kategorie:Kernenergie (Vereinigte Staaten)]]
[[Kategorie:Albuquerque]]
[[Kategorie:Kernfusionsreaktor]]
[[Kategorie:Nukleartechnik]]

Z-Maschine - Versionsgeschichte

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